(57)【要約】【課題】ポインティング検出機能を受光系のレベル検知機能に含め、かつ受光量を所定値に調整して受光検出を正確にさせた上、装置の小型化を可能とする。【解決手段】受光検知器５が、測距する目標物から送られるレーザビームによる受光スポットを受けて受光レベル値を得る検知面を有する。この検知面を制御部８の制御を受ける受光検知器位置調整器９により受光スポットの光軸方向または光軸に垂直な面方向に適切に移動させて配置する。この結果、計測停止信号として検出する受光レベル値を所定値に設定できる。次いで、光軸に垂直な面で検知面を走査することにより、検知面の走査範囲で受光レベル量の変化が得られるので、受光レベル量の位置と相関とからポインティングを推定することができる。すなわち、検知面の変位とその受光量の変化とからポインティング検出と測距の正確性向上を図ることができるので、装置の小型化も実現できる。【選択図】図１
2006047242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを目標物に向け発射して反射ビームを受光するまでの伝播時間を計測し目標物までの距離を算出するレーザ測距装置において、目標物からのビームを受光し検知する検知面を有する受光検知器と、該受光検知器の検知面から受光スポットの受光レベル値を得て出力する受光レベル検知部と、前記受光検知器を移動させ、前記検知面上で前記受光スポットを少なくとも一次元変位させると共に、前記受光検知器の位置を知り、前記受光レベル検知部から前記受光レベル値を受け、前記受光検知器の位置の変化に対応する受光量の変化を解析して目標物方向を決定すると共に該目標物方向に基づく所定位置に前記受光検知器を位置設定する制御部とを備えることを特徴とするレーザ測距装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ測距装置において、前記制御部は、前記受光検知器の位置を制御し、受光レベル検知部から受ける受光レベル値が所定値に一致するように前記受光検知器を受光スポットの変位上で移動させて固定する手段を有することを特徴とするレーザ測距装置。
【請求項３】
請求項１に記載のレーザ測距装置において、前記制御部は、前記受光検知器の位置を制御し、受光レベル検知部から受ける受光レベル値が所定値に一致するように前記受光検知器を受光軸上で移動させて固定する手段を有することを特徴とするレーザ測距装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのうちの一つに記載のレーザ測距装置において、前記制御部は、前記受光レベル検知部から受ける受光レベル値が予め定められた一定値になるように、前記受光検知器の所定位置を設定する手段を有することを特徴とするレーザ測距装置。
【請求項５】
請求項１に記載のレーザ測距装置において、前記制御部は、前記受光検知器の位置を制御して前記検知面を受光軸に垂直面で一次元方向に移動させ、その変位距離に対応する受光レベル値の変化量推移から前記一次元方向における目標物方向を演算する手段を有することを特徴とするレーザ測距装置。
【請求項６】
レーザビームを目標物に向け発射して反射ビームを検知面で受光するまでの伝播時間を測定し目標物までの距離を算出するレーザ測距装置において、目標物からのビームを受光し検知する検知面から受光スポットの受光レベル値を得る手段と、該光レベル値を得る際、受光軸に垂直な面上で前記検知面を変位させると共に前記受光スポットを少なくとも一次元の直線変位をさせて前記受光レベル値の変化を捉える手段と、該受光レベル値の変化から演算して目標物の方向を決定する手段とを備えることを特徴とするレーザ測距装置。
【請求項７】
請求項６に記載のレーザ測距装置において、更に、次のレーザビームを発射する前に、目標物からのビームを受光し検知する検知面から得られる受光スポットの受光レベル値が予め定められた値になるように、受光軸の軸上または軸に垂直な面上で前記検知面を変位させる量を演算しその求められた位置に前記検知面を設定し固定する手段を有することを特徴とするレーザ測距装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームを目標物に向け発射して反射ビームを受光するまでの伝播時間を測定し目標物までの距離を算出するレーザ測距装置に関する。特に、算出距離の正確性を有すると共に、移動する目標物の追跡が容易で、かつ装置の小型化を図ることができるレーザ測距装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般にレーザビームを発射して目標物を捕捉し確実に反射ビームを受光するためには、広い領域の目標物を視野に入れて強力なレーザビームを発射しその反射ビームを受けられるようにしなければならない。
【０００３】
しかしそのため、反射ビームはその受光レベルが低いので、受光レベルを最大にする構成が提供される。
【０００４】
その一つに、反射ビームの方向に基づいて受光系の焦点を合致させる、すなわち、目標物方向を定めるポインティング機能がある。
【０００５】
例えば、図６に示されるような構成では、受光系で、レーザビーム走査部１２２の走査に同期して光検出器１５０の走査部１５１が動作する。すなわち、走査部１５１はポインティング機能を有している。従って、受光レンズ１４０の焦点位置に移動する光検出器１５０は最大の受光レベルを得ることができる。
【０００６】
一方、従来のレーザ測距装置では、距離の計測のため目標物からの受信光をタイミング信号に変換する際に、受光量により変化する受信波形の違いからタイミング検出に著しい誤差を生じることが知られている。すなわち、例えば、微小な衛星からの反射ビームを想定して確実な受光レベルの取得を目的とする場合、最大レベルの受光レベルが得られるのみの構成では、例えば、距離に応じて受光量が大幅に変動する状態では、距離の正確な計測は期待できない。
【０００７】
この改善策として、例えば、特開平０６−０２２４２７号公報（特許文献１）がある。図７はこの方法による機能ブロック形態を示すための説明図であって、受信光学系２４０から受信したレーザビームは光減衰器２４１を介して受光検知器２５０に達している。
【０００８】
距離に応じた受光量の変化はレーザ測距装置の計測精度に影響する。したがって、光学フィルタ等による光減衰器は、受光量の変化をキャンセルするために必要であった。
【０００９】
一方、衛星等への搭載用レーザ測距装置には小型軽量が要求されるため、特許文献１に開示されるような複数の光学フィルタを出し入れするようなメカニズムは装置規模の大型化を伴うばかりでなく装置の信頼性低下が懸念されていた。
【００１０】
また、受信光のポインティング機能のため、例えば、図６を参照して説明した送信系の走査を利用するなどの方法があるが、送信系の機能を利用することは受信光のポインティング機能に対して正確性に欠けるという問題がある。
【００１１】
【特許文献１】特開平０６−０２７２２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
解決しようとする課題は、ポインティング機能が受光系のレベル検知機能に含まれないので、その機能の正確性に欠けていることである。更に、受光量を所定値に調整して受光時点を正確にさせるために光学フィルタ等による光減衰器を使用するので、装置の小型化が実現できないことである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、ポインティング機能を受光系のレベル検知機能に含めることを目的として、受光スポットの検知面を変位させ受光量の変化を解析して目標物の方向を決定することを主要な特徴とする。
【００１４】
すなわち、レーザビームを目標物に向け発射してその反射ビーム、または反射ビームに生成される目標物からの発射ビームを検知面で受光するまでの伝播時間を測定し目標物までの距離を算出するため検知面が目標物からのビームを受光し検知する際、その検知面から受光スポットの受光レベル値を得る。この際、受光軸に垂直な面上で検知面を少なくとも一次元で直線変位させて受光レベル値の変化を捉える。中心軸となる光軸に対して受光レベル値が左右対称に分布されていれば、目標物方向はそれまでの設定方向と一致している。左右非対称の場合、その差量にしたがってその方向を決定することができる。
【００１５】
また、更に追加された特徴は、受光レベル値を所定値に調整させるため、受光レベル値が所定値に一致するように、受光検知面を受光軸上または受光軸に垂直な面で移動し固定している。
【００１６】
すなわち、次のレーザビームを発射する前に、ビームを検知する検知面から得られる受光スポットの受光レベル値が予め定められた一定値になるよう、受光軸上または受光軸に垂直な面上で前記検知面を変位させる量を演算し、その求められた位置に前記検知面を設定し固定することがその特徴である。検知面上での予め定められた一定の受光値は、特に、繰り返しパルスレーザに対して受信波形を安定させるので、正確な距離測定を常に可能とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のレーザ測距装置は、受光する受光検知器の検知面を受光軸に垂直な面上で移動してその受光レベル値の変化を求めることにより、距離測定のために受ける受光スポットの中心軸位置を最適検知面位置として演算により決定できる。したがって、目標物の方向は基準となる設定中の光軸との変位として求めることができる。このことは、目標物方向を求めるポインティング行為を、目標物から直接送られる受光スポットを受ける検知面とその受光レベル値の検知と検知面の位置調整という構成要素のみで実行しているので、ポインティングの決定を正確にしている。
【００１８】
更に、これらの構成要素は受光レベルを適正化する機能を有する。すなわち、受光レベルを決定する検知面の位置と受光スポット位置または焦点位置との相互関係を調整することにより受光スポットの受光レベルを調整することができる。
【００１９】
したがって、短い周期で繰り返すことにより、予測がより容易となり、その誤差は修正が容易であり、正確性を向上させることができる。
【００２０】
すなわち、目標物方向の検出用と距離の測定用とを、同一の受光検知用構成要素で共用できるので、小型軽量かつ高精度のレーザ測距装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、レーザビームを目標物に向け発射して反射ビームを検知面で受光するまでの伝播時間を測定し目標物までの距離を算出するため検知面が反射ビームによる受光スポットを検知する受光系構成要素のみで目標物の方向を決定するという目的を、受光スポットの検知面を変位させ受光量の変化を解析して目標物の方向を決定することにより、従来の構成を損なわずに実現した。
【００２２】
これら構成要素はそのままで、受光レベル値を所定値に調整するというもう一つの目的を達成することができる。
【実施例１】
【００２３】
本発明の実施例１について図１を参照して説明する。
【００２４】
図１は、本発明によるレーザ測距装置における機能ブロック構成の実施の一形態を示す説明図である。
【００２５】
図示されるレーザ測距装置は、レーザ１、送信光学系２、送光検知器３、受信光学系４、受光検知器５、受光レベル検知部６、測距カウンタ７、制御部８、および受光検知器位置調整部９により構成される。
【００２６】
レーザ１は、測距用の例えば繰り返しパルスレーザビームを送信光学系２へ出力する光源である。送信光学系２は、レーザ１から送出されたレーザビームを整形して目標物へ送信する。送光検知器３は、レーザ１からレーザビームが送出されたタイミングを検出して、計測開始信号を測距カウンタ７に送る。
【００２７】
受信光学系４は、目標物から反射するレーザビームを受けて受光検知器５に送る。目標物が受けたビームを増幅して中継転送する場合、受信光学系４が受けるビームは目標物からの送信光である。
【００２８】
受光検知器５は、受信光学系４を介して受けるビームを検知した際、計測停止信号として測距カウンタ７へ通知すると共に、受光レベル検知部６へ受信信号として受光ビームを送る。確実な計測停止信号として一定レベル値のレーザビームを受けるため、制御部８により制御される受光検知器位置調整部９が受光検知器５の位置を受光スポットとの位置関係で調整している。
【００２９】
受光レベル検知部６は、受光検知器５から受信信号を受け、受光レベル値を検知し受光量データとして制御部８に送出する。
【００３０】
測距カウンタ７は、レーザビーム送出時点を送光検知器３から計測開始信号により受け、レーザビーム受付け時点を受光検知器５から計測停止信号により受ける。したがって、測距カウンタ７は、計測開始信号を送光検知器３から受けた時点から、計測停止信号を受光検知器５から受けた時点までを計測する。測距カウンタ７が計時カウンタであれば、経過時間が直接計測される。このカウンタ計測値は制御部８へ送られる。
【００３１】
制御部８は、受光レベル検知部６から受光量データとして検知面位置での受光レベル値を受け、受光検知器位置調整部９を制御して受光検知器５の検知面位置を調整するという、目標物追尾のためのポインティング機能と、正確な測距のための受光レベル調整機能とを有している。
【００３２】
以降に、制御部８のポインティング決定機能と距離測定機能とを、図面を参照して説明する。
【００３３】
まず、図１に図２および図３を併せ参照して、本レーザ測距装置のポインティング機能について説明する。ポインティング機能は、制御部８が受光レベル検知器６から受ける受光量データに基づいて処理される。
【００３４】
図２（Ａ）は、受信光学系４から受ける受光スポット４１が検知範囲の中央に位置する検知面５１の更に中央にある場合を示している。すなわち、この状態では、受信光学系４が受光ビームの方向に一致しており、ポインティングが最適であることを意味している。ここで、制御部８は、検知面５１を、例えば一次元走査し、左方向で検知面５１Ｌまで、右方向で検知面５１Ｒまでの変位範囲で移動させることができる。
【００３５】
図２（Ｂ）は、検知面５１が図２（Ａ）の状態で移動した際の、受光レベル量変化の一実施例を受光量データ６１として示している。このような最適状態の場合では、受光レベル量は変位範囲の中心軸に対して対称形のパターンを期待できる。
【００３６】
次に、図３（Ａ）は、受信光学系４から受ける受光スポット４１Ａが受光検知器５の検知面５１の右寄りに位置する場合が示されている。すなわち、この状態は、受信光学系４の中心軸に対して例えば右方向に受光ビームの方向が傾斜しており、ポインティングがシフトしていることを意味する。
【００３７】
図３（Ｂ）は、検知面５１が図３（Ａ）の状態で移動した際の、受光レベル量変化の一実施例を受光量データ６１Ａとして示している。このようなシフト状態の場合では、受光レベル量は変位範囲の中心軸に対して対称形のパターンとはならない。しかし、その相関パターンからポインティングの変位量を算出することができる。
【００３８】
上記説明では、検知面の移動を一次元とし、一直線方向のみとしたが、少なくとも二方向の直線移動、または、所定角度をもって順次移動することにより二次元ポインティングを可能にできる。本実施例１では、所定角度で順次移動するものとする。したがって、更に正確なポインティングを可能にできる。
【００３９】
この際、制御部８は、この受光量データから受光レベル値が一定になるように受光検知器位置調整部９を制御することができる。すなわち、その相関パターンからポインティングの変位量を算出することができるので、ポインティングを上述したような中央位置を最適位置にする必要はない。したがって、制御部８は、受光検知器位置調整部９を制御して、検知面位置と受光スポット位置との相関を受光レベル値が一定になるようにしている。具体的には、制御部８は、今回の受光で演算されたポインティング結果を次回の設定に使用するように繰り返し、常に最良の同一値にあるように制御動作している。
【００４０】
次に、制御部８は、測距カウンタ７からカウンタ計測値を受けて目標物までの距離を演算する。すなわち、レーザビームの速度とカウンタ計測値から得られる時間とから反射ビームによる距離測定が可能である。また、目標物がレーザビームの増幅転送機能を有する場合には、その処理時間がカウンタ計測値による所要時間から削除されて演算される。
【００４１】
次に、図４に図１を併せ参照して本発明のレーザ測距装置における主要動作手順について説明する。
【００４２】
レーザ１から発射されたパルスレーザビームは、送信光学系２を介して目標物に向け送光（手順Ｓ１）される。送光検知器３はレーザ１からの送光を検知して計測開始信号を測距カウンタ７へ送るので、測距カウンタ７はカウンタの計測を開始（手順Ｓ２）する。目標物への送光により目標物からのパルスレーザビーム受光待ち（手順Ｓ３のＮＯ）となる。
【００４３】
この手順Ｓ３の「ＹＥＳ」で目標物から送られたパルスレーザビームが受信光学系４を介して受光検知器５で受光した際には、検知面の受光レベル値を受光レベル検知部６が検知（手順Ｓ４）する。
【００４４】
例えば、制御部８が受光検知器位置調整部９を制御して図３（Ａ）に示されるように中央に検知面５１の位置を設定しており、右寄りに受光スポット４１Ａを受光した場合、図３（Ｂ）に示されるように、測距用に受光レベル値Ｌｒが得られる。検知面５１と受光スポット４１Ａとの位置関係は前回のデータで予測されるものである。したがって、設定された受光レベル値Ｌｒは予定値であるが、実質的に大きな差は生じない。このため、受光検知器５での受光検知は安定し、測距カウンタ７への計測停止信号の送出が安定する。
【００４５】
次いで、制御部８は、今回の検知面５１の位置設定および走査方向を前回受光のポインティング決定時に設定しているので、検知面の位置を検出（手順Ｓ５）して検知面を設定された一次元方向で走査（手順Ｓ６）する。その結果として、例えば、図３（Ｂ）に示される太線で囲まれるような受光量データ６１Ａを求めることができる。
【００４６】
制御部８は、受光レベル検知部６から受光量データ６１Ａを受け、その相関パターンからポインティングの変位量を算出して、走査方向におけるポインティングを決定（手順Ｓ７）する。
【００４７】
他方、上記手順Ｓ３の「ＹＥＳ」で、目標物からパルスレーザビームを受光した受光検知器５は、検知面の受光レベル値を受光レベル検知部６へ送って検知させる手順Ｓ４と平行して、計測停止信号を測距カウンタ７に送る。したがって、測距カウンタ７はカウンタの計測を停止（手順Ｓ８）する。測距カウンタ７はカウンタ計測値から上述したように目標物までの距離を算出（手順Ｓ９）する。
【００４８】
上記手順Ｓ７のポインティング決定と手順Ｓ９の測距との終了を待って、制御部８は上述したように、受光スポットから所定の検知レベル値が得られるように次の検知面位置と走査方向とを予測して決定（手順Ｓ１１）する。制御部８は、受光検知器位置調整部９を制御して受光検知器５の検知面を上記手順Ｓ１１で決定した位置に調整（手順Ｓ１２）し設定してカウンタをリセット（手順Ｓ１３）する。
【００４９】
レーザ測距装置が目標物を追尾（手順Ｓ１４のＹＥＳ）する場合、レーザ１が制御部１の指示を受けてパルスレーザビームを送光する上記手順１に戻り、手順は繰り返される。この手順Ｓ１４が「ＮＯ」で追尾でない場合、ポインティングまたは測距に対する今回の手順は終了し、次回の手順は上記手順Ｓ１から再開される。
【００５０】
また、上記手順Ｓ３が「ＮＯ」となるレーザビームの受光なしの状態でカウンタ計測値が所定値に到達するまで（手順Ｓ１５のＮＯ）の場合には、手順は上記手順Ｓ１に戻り、パルスビームの送出が繰り返される。この手順Ｓ１５が「ＹＥＳ」で所定値に達した場合には、カウンタはリセット（手順Ｓ１６）され、図面上の主要手順は上記手順Ｓ１に戻り、パルスビームの送出が繰り返される。しかし、図示されていないが、上記手順Ｓ１６に進んだ場合、別に配備される警報手段が受光不良を検知して警報を表示すると共に通知を発生している。
【００５１】
このような構成形態を採用したので、ポインティングを、測距のための目標物からの受光系のみで演算処理できるのみならず、受光スポットの受光レベルを一定値に設定して安定した受光の検知を可能にしている。
【００５２】
上記説明は、図示された機能ブロックおよびフローチャートに沿っているが、上記機能を満たす限り、機能によるブロック構成の分離併合、手順の前後の入替え、平行動作などによる変更は自由であり、上記説明が本発明を限定するものではない。また、上記説明は本発明による主要構成についてのものであり、保守運用などに関する付帯機能についての説明は省略されている。
【実施例２】
【００５３】
本発明の実施例２について図５を参照して説明する。
【００５４】
図５の実施例２は、光学系４２を介して受光スポット４１の焦点４０を光軸４３上に形成させている。受光スポット４１の検知面を表面に有する受光検知器５Ａは受光検知器位置調整部９Ａに制御により光軸４３方向に移動する。この際、受光スポット４１の検知面が焦点距離ｆの焦点４０位置にあれば最大受光レベルが得られる。しかし、例えば距離ｄだけ変位すれば、焦点がぼけるため検知面の光密度は減少し、受光の検知に最適な受光レベル値を得ることができる。
【００５５】
例えば、図２（Ａ）のように、ポインティングの決定により、受光スポット４１の光軸を中央の受光検知器５１の中心位置に決定し、受光検知器５１を受光の検知に最適な受光レベル値を得る位置に設定すればよい。
【００５６】
このような構成により、受光量を一定に保ち測距精度を向上させることが可能となる。このような構成でも、上述したと同様のポインティング機能を実行することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
受光スポットを用いて容易に目標物の方向を検出しかつその受光レベルを調整して正確な受光検知ができることによって、装置の小型化と共にポインティングおよび測距の両者を必要とするレーザ測距装置全般、特に、移動体間の測距用としての用途に有効に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明のレーザ測距装置におけるブロック構成の実施の一形態を示した説明図である。（実施例１）
【図２】ポインティング検出での検知面変位の実施の一形態を示した説明図（Ａ）およびその受光レベル量変化の一形態を示した説明図（Ｂ）である。（実施例１）
【図３】図２とは別の位置に受光スポットが位置する検知面変位の実施の一形態を示した説明図（Ａ）およびその受光レベル量変化の一形態を示した説明図（Ｂ）である。（実施例１）
【図４】図１における主要動作手順の実施の一形態を示したフローチャートである。（実施例１）
【図５】図２または図３とは別の、受光レベル量を変化させる一形態を示した説明図である。（実施例２）
【図６】従来のレーザ測距装置におけるポインティング処理を説明するためのブロック構成の一例を示した説明図である。
【図７】従来のレーザ測距装置における受光レベル調整を説明するためのブロック構成の一例を示した説明図である。
【符号の説明】
【００５９】
１    レーザ
２    送信光学系
３    送光検知器
４    受信光学系
５、５Ａ    受光検知器
６    受光レベル検知部
７    測距カウンタ
８    制御部
９    受光検知器位置調整部
９Ａ    （受光検知器）位置調整部
４０    焦点
４１、４１Ａ    受光スポット
４２    光学系
４３    光軸
５１、５１Ｌ、５１Ｒ    検知面
６１、６１Ａ    受光量データ
【図１】
2006047242.tif 000003
【図２】
2006047242.tif 000004
【図３】
2006047242.tif 000005
【図４】
2006047242.tif 000006
【図５】
2006047242.tif 000007
【図６】
2006047242.tif 000008
【図７】
2006047242.tif 000009